Biến bã rượu bourbon thành vật liệu lưu trữ năng lượng: Bước tiến bất ngờ từ ngành công nghiệp whiskey

Ngành công nghiệp bourbon của bang Kentucky, Mỹ, từ lâu nổi tiếng với những chai whiskey mang hương vị đặc trưng. Tuy nhiên, phía sau mỗi chai rượu thành phẩm là một lượng chất thải khổng lồ mang tên “stillage” – hỗn hợp bã ngũ cốc và ngô sau quá trình chưng cất.

Giờ đây, thứ từng được xem là bài toán môi trường nan giải có thể trở thành nguyên liệu cho công nghệ lưu trữ năng lượng thế hệ mới.

Bã rượu thường được bán cho nông dân làm thức ăn chăn nuôi, nhưng nó khó vận chuyển và làm khô. Ảnh: Martin Molcan / Deposit Photos

Theo các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Kentucky, cứ mỗi đơn vị bourbon được sản xuất sẽ tạo ra lượng stillage lớn gấp 6-10 lần. Trong bối cảnh Kentucky chiếm khoảng 95% sản lượng bourbon toàn cầu, khối lượng chất thải phát sinh mỗi năm là vô cùng lớn.

Hiện nay, phần lớn stillage được bán cho nông dân để làm thức ăn chăn nuôi hoặc cải tạo đất. Tuy nhiên, vật liệu này chứa nhiều nước, khó vận chuyển và rất tốn kém nếu muốn sấy khô. Vì vậy, việc tìm ra giá trị mới cho nguồn phụ phẩm này luôn là mục tiêu được giới khoa học quan tâm.

Từ bã rượu thành điện cực lưu trữ năng lượng

Nhóm nghiên cứu do nhà hóa học Josiel Barrios Cossio và đồng nghiệp Marcelo Guzman dẫn dắt đã đặt câu hỏi liệu stillage có thể trở thành vật liệu cho các thiết bị lưu trữ năng lượng hay không.

Ý tưởng này xuất phát từ các nghiên cứu trước đây cho thấy một số phụ phẩm nông nghiệp như sợi ngô có thể được chuyển hóa thành vật liệu carbon dùng trong pin và siêu tụ điện. Nhóm nghiên cứu tin rằng hỗn hợp bã ngũ cốc từ ngành bourbon cũng có thể mang lại kết quả tương tự.

Để kiểm chứng giả thuyết, các nhà khoa học đưa stillage vào lò phản ứng dung tích 10 lít, nơi vật liệu được xử lý dưới nhiệt độ và áp suất rất cao. Quá trình này tạo ra loại bột carbon màu đen mịn.

Sau đó, nhóm tiếp tục nung vật liệu ở khoảng 200°C để tạo ra “hard carbon” – một dạng carbon có cấu trúc gần giống graphite. Song song đó, họ trộn một phần bột carbon với kali hydroxit rồi nung ở khoảng 800°C nhằm tạo ra “activated carbon” (carbon hoạt tính) có diện tích bề mặt rất lớn.

Hai loại vật liệu này đều có vai trò quan trọng trong lĩnh vực lưu trữ năng lượng. Hard carbon có khả năng hấp thụ ion lithium hiệu quả, trong khi activated carbon giúp tích trữ điện tích nhờ hệ thống lỗ xốp dày đặc bên trong.

Từ các vật liệu thu được, nhóm nghiên cứu chế tạo những điện cực kích thước tương đương đồng xu và lắp ráp thành các siêu tụ điện thử nghiệm. Kết quả khiến chính các nhà khoa học bất ngờ.

Hiệu suất vượt sản phẩm thương mại

Các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy những siêu tụ điện làm từ bã bourbon có khả năng lưu trữ năng lượng tương đương các điện cực thương mại hiện nay, đạt khoảng 48 Wh/kg.

Các nhà nghiên cứu đã chuyển đổi chất thải từ nhà máy chưng cất rượu bourbon (hình bên trái) thành điện cực cho siêu tụ điện (hình bên phải) có khả năng lưu trữ nhiều năng lượng hơn trên mỗi kg so với các thiết bị thương mại. Ảnh: Josiel Barrios Cossio

Không dừng lại ở đó, nhóm nghiên cứu còn kết hợp activated carbon và hard carbon để tạo ra một dạng siêu tụ điện lai (hybrid supercapacitor). Thiết bị này cho hiệu suất lưu trữ năng lượng cao hơn khoảng 25% so với nhiều giải pháp thương mại cùng loại.

Theo Josiel Barrios Cossio, việc chế tạo được thiết bị lai từ nguồn chất thải này là một phát hiện đáng chú ý bởi các hệ thống hybrid thường phức tạp và không dễ sản xuất.

Ngoài khả năng lưu trữ năng lượng, vật liệu carbon từ stillage còn cho thấy độ bền cao. Một nghiên cứu công bố trên tạp chí Materials Advances ghi nhận các điện cực chế tạo từ phụ phẩm bourbon vẫn duy trì khoảng 96% hiệu suất sau 10.000 chu kỳ hoạt động.

Những kết quả trên cho thấy chất thải từ ngành sản xuất whiskey hoàn toàn có thể trở thành nguồn nguyên liệu giá trị cho lĩnh vực năng lượng sạch.

Các chuyên gia đánh giá hướng tiếp cận này mang lại lợi ích kép. Một mặt, nó giúp giảm áp lực xử lý hàng triệu tấn phụ phẩm nông nghiệp mỗi năm. Mặt khác, việc tận dụng nguồn nguyên liệu sẵn có có thể góp phần giảm chi phí sản xuất các thiết bị lưu trữ năng lượng trong tương lai.

Dù vậy, công nghệ vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu. Nhóm khoa học cho biết cần thêm thời gian để tối ưu quy trình sản xuất, nâng cao hiệu suất và đánh giá khả năng thương mại hóa trên quy mô lớn.

Nếu thành công, câu chuyện của bourbon có thể trở thành ví dụ điển hình cho xu hướng kinh tế tuần hoàn: biến chất thải thành tài nguyên. Từ những bể bã rượu tưởng như vô giá trị, các nhà khoa học đang mở ra khả năng tạo nên thế hệ vật liệu lưu trữ năng lượng mới phục vụ xe điện, thiết bị điện tử và lưới điện tương lai.